激光吸收光譜（LAS）技術由於其具有高靈敏、高分辨、高選擇、快速響應及非入侵測量等優點被廣泛地應用到環境檢測、工業過程控制、國防安全、病理診斷等領域，同時也應用到光譜參數測量和頻率標準等基礎科學研究領域。為了滿足準確監控超精細工業過程、加強國防安全、提升病理診斷準確性等的領域需求及提升基礎研究的水平，需要發展基於LAS的超靈敏氣態物質檢測技術及裝置。
01
超靈敏激光光譜技術——NICE-OHMS
20世紀90年代，美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）的葉軍教授，諾貝爾獎獲得者J. L. Hall 教授以及華東師範大學馬龍生教授共同發明了世界上超靈敏的光譜技術——噪聲免疫腔增強光外差分子光譜（NICE-OHMS）技術。其通過激光載頻到腔模以及調製頻率到法布里玻羅（FP）腔吸收池FSR的兩個頻率鎖定過程，完美地實現了頻率調製光譜和頻率鎖定腔增強吸收光譜兩種高靈敏光譜技術的結合。不僅可實現長路勁吸收，還具有低的探測噪聲，其技術基本原理如圖1所示。通過調製頻率到FSR的頻率鎖定，使得激光載頻和邊帶受FP腔頻率幅度噪聲影響相同，拍頻後獲得的NICE-OHMS信號在空腔條件下將不受該噪聲影響，因此稱其具有“噪聲免疫”特性。
圖1 NICE-OHMS基本原理圖
[W. Ma, et.al Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, Vol.168, 217-244 (2016)]
腔增強吸收光譜技術的有效吸收路徑為腔長的2F/p倍（F為FP腔吸收池的精細度），腔的精細度越高，探測靈敏度也就越高。激光到腔模頻率鎖定的性能直接影響NICE-OHMS信號的信噪比，因此高靈敏特性需要寬帶寬、高低頻增益的頻率鎖定伺服設計。然而寬帶寬和低頻高增益的設計存在一定的矛盾，當寬帶寬反饋控制實現了寬線寬激光到高精細度FP腔腔模的頻率鎖定，就很難保證在低頻尤其是掃描頻率處具有足夠高的增益，致使激光和腔模的同步寬範圍波長掃描很難實現。現有的NICE-OHMS裝置大多采用比FP腔腔模更窄的激光源進行實驗研究。因此激光源的調諧能力和線寬成了限制NICE-OHMS光譜檢測靈敏度的主要因素。
1996年後，日本、新西蘭、美國、荷蘭、意大利、英國、瑞典、中國的多個研究組分別將外腔二極管激光源（ECDL）、量子級聯激光源（QCL）、光學參量振盪器（OPO）、光纖激光器（EDFL）、迴音壁模式半導體激光器（WGM）和分佈反饋半導體（DFB）激光器等應用到了不同精細度的FP腔吸收池進行NICE-OHMS光譜檢測，從事痕量氣體、激子、有機分子等的超靈敏檢測，各個研究的課題組及其使用的具體參數如表1所示。
表1 NICE-OHMS發明各個研究組採用的基本參數比較（*為洛倫茲線寬）
可以看出一般情況下：
①FP腔吸收池精細度越高，獲得的探測靈敏度越高，所需的激光線寬越窄；
②激光到腔模頻率鎖定的帶寬由激光線寬決定，性能的好壞直接決定了其探測靈敏度。
目前最高的探測靈敏度仍然是葉軍教授發明NICE-OHMS時獲得的5e-13，但測量的是亞多普勒分子飽和光譜，且系統較為複雜。2007年瑞典的Ove Axner教授課題組首次基於1.5 μm窄線寬光纖激光器有效地降低了激光到腔模頻率鎖定的帶寬，大大簡化了NICE-OHMS的實驗裝置，為該技術進入實用走出了關鍵一步。2018年初，山西大學與瑞典Umeå大學合作基於平衡探測技術將多普勒展寬的NICE-OHMS光譜探測靈敏度提高到了8.8e-13，達到了理論散粒噪聲的1.4倍。國內從事NICE-OHMS技術研究的課題組除了山西大學外，華東師範大學馬龍生教授課題組、中國科技大學胡水明教授課題組也在開展痕量氣體檢測及分子光譜等領域的研究工作。
02
NICE-OHMS技術在痕量氣態物質檢測領域的發展方向
針對NICE-OHMS技術在痕量氣態物質檢測中的應用，正在發展的方向有兩個：一是提升光譜測量的範圍，實現大氣壓樣品的直接測量；二是更進一步提升檢測靈敏度，解決基礎研究和領域應用的需求。
長期以來NICE-OHMS技術只能測量低氣壓下樣品。2017年，Curtis等人雖然實現了大氣壓樣品的測量，但探測靈敏度遠遠差於低壓下的探測靈敏度。發展大氣壓樣品直接測量的NICE-OHMS技術，可有效避免由於壓強降低所導致的靈敏度降低，且能實現生物活體排出氣的實時在線測量。其技術的關鍵是選擇寬調諧窄線寬激光源以及提升PDH頻率鎖定的性能。
為了更進一步提升NICE-OHMS技術的探測靈敏度，首要是發展波長可調諧的超窄線寬激光源。為了獲得Hz量級線寬的激光輸出，可以採用激光到高精細度超穩腔的頻率鎖定，然而此類光源的波長調諧能力較差，這就需要發展外部頻率掃描技術。另一個因素是超高精細度FP腔吸收池的搭建，其關鍵通過選擇最佳的阻抗匹配來提升激光到腔的耦合效率。
總結
NICE-OHMS技術由於其超靈敏的獨特特性逐漸被基礎研究和應用領域所關注，隨著高性能激光源以及超低損耗腔鏡的快速發展，其技術複雜性正逐漸降低。相信在不久的將來其定能成為超靈敏光譜測量的重要手段。
馬維光，山西大學激光光譜研究所教授，博士生導師，主要從事超靈敏激光光譜技術、痕量氣體檢測技術以及激光技術等領域的研究工作；趙剛，山西大學激光光譜研究所講師，主要從事腔衰蕩光譜以及NICE-OHMS等的技術研究工作。
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